JP6985086B2 - 圧力センサ - Google Patents
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例えば、センサ基板によって周囲が固定されたダイヤフラム(薄膜)と、センサ基板上に接合部を介して接合されたセンサチップと、センサチップに設けられた4つの歪ゲージと、を備えた圧力センサが知られている(特許文献1参照)。
特に、ダイヤフラムのX軸方向に沿うように2つの歪ゲージを配置し、且つダイヤフラムのY軸方向に沿うように残り2つの歪ゲージを配置する必要があるので、少なくとも歪ゲージを2つずつ、ダイヤフラムのX軸方向とY軸方向とに分けて配置せざるを得ない。従って、間隔をあけて歪ゲージを配置する必要があり、例えば4つの歪ゲージを互いに近い位置に配置することができない。
従って、変位検出抵抗の温度環境と温度検出抵抗の温度環境とを、さらに類似した温度環境にすることができ、温度補償をより高精度に行うことができる。
以下、本発明に係る圧力センサの第1実施形態について図面を参照して説明する。
図1〜図3に示すように、本実施形態の圧力センサ1は、所定の周波数帯域の圧力変化を検出するセンサであり、圧力伝達媒体(例えば空気等の気体)が存在する空間等に配置されて使用される。
なお、本実施形態では、センサ本体3の厚み方向に沿ったカンチレバー4側を上方、その反対側を下方という。また、センサ本体3の平面視で、互いに直交する2方向のうちの一方の方向を前後方向L1といい、他方向を左右方向L2という。
第1基板10は、例えばシリコン支持層12、シリコン酸化膜等の絶縁層13及びシリコン活性層14を、下方からこの順番で熱的に張り合わせたSOI基板とされている。第2基板11は、シリコン支持層12に対して下方から接合されている。第2基板11としては、例えばシリコン等の半導体基板が挙げられるが、特に限定されるものではない。
なお、第1基板10及び第2基板11の接合方法としては、例えば拡散接合、常温接合や陽極接合等の直接接合方法や、接着層を介した間接接合方法等が挙げられるが、特定の方法に限定されるものではない。
第2基板11の中央部分には、上方に向けて開口し、且つ下方に向けて凹む凹部11aが形成されている。これにより、第2基板11は環状の周壁11bを有する有底筒状に形成されている。
第1基板10のシリコン支持層12は、第2基板11の周壁11bに対応した環状に形成され、周壁11b上に重なるように配置されている。第1基板10の絶縁層13は、シリコン支持層12に対応した環状に形成され、シリコン支持層12上に重なるように配置されている。そして、凹部11a、シリコン支持層12及び絶縁層13によって形成される空間部分がキャビティ2とされ、絶縁層13で囲まれる内側部分が連通開口6とされている。
なお、キャビティ2は、ギャップ20を通じて外部に連通する。従って、ギャップ20を通じて、圧力伝達媒体をキャビティ2の内外に流動させることが可能とされている。
これにより、カンチレバー4はレバー本体25の先端部側が自由端とされた片持ち梁構造とされ、レバー支持部26を中心としてキャビティ2の内部と外部との圧力差(すなわち、ギャップ20を介してキャビティ2の内部と外部との間を流通可能な圧力伝達媒体による圧力の差)に応じて撓み変形する。
なお、本実施形態では、前後方向L1に沿ってレバー本体25からレバー支持部26に向かう方向を前方といい、その反対方向を後方という。
シリコン活性層14のうち、ギャップ20の外側に位置する部分には、カンチレバー4との間に上記ギャップ20をあけた状態でカンチレバー4の周囲を囲むように形成され、且つ連通開口6の開口周縁部に沿うように配置された枠部27が形成されている。
これにより、シリコン活性層14のうちカンチレバー4及び枠部27を除いた部分は、レバー支持部26に一体的に接続された連結部35と、連結部35に一体的に接続された第1ベース部36及び第2ベース部37と、枠部27に一体的に接続された第3ベース部38及び第4ベース部39と、に区画されている。
ただし、第1溝部30によってレバー支持部26を左右方向L2に分断する必要はなく、第1連結部35a及び第2連結部35bがレバー支持部26に対して一体に接続されていても構わない。
これにより、シリコン活性層14のうち第2溝部31よりも前方側に位置する部分が第1連結部35aに一体に接続された第1ベース部36とされ、シリコン活性層14のうち第3溝部32よりも前方側に位置する部分が第2連結部35bに一体に接続された第2ベース部37とされている。
これにより、シリコン活性層14のうち第1ベース部36よりも後方側に位置する部分が、枠部27に一体に接続された第3ベース部38とされている。また、シリコン活性層14のうち第2ベース部37よりも後方側に位置する部分が、枠部27に一体に接続された第4ベース部39とされている。
なお、第3ベース部38及び第4ベース部39は、第1溝部30及び第2溝部31を介して、第1ベース部36及び第2ベース部37から離間してそれぞれ配置されている。また、第3ベース部38と第4ベース部39とは、第4溝部33を介して左右方向L2に互いに離間して配置されている。
具体的には、第1ベース部36の上面には、全面に亘って第1外部電極40が形成されている。第2ベース部37の上面には、全面に亘って第2外部電極41が形成されている。第3ベース部38の上面には、全面に亘って第3外部電極42が形成されている。第4ベース部39の上面には、全面に亘って第4外部電極43が形成されている。
検出抵抗46は、第1外部電極40及び第2外部電極41に対してそれぞれ電気接続されている。これにより、第1外部電極40及び第2外部電極41間に電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、第1外部電極40から検出抵抗46を経由して第2外部電極41に流れる。
参照抵抗47は、第3外部電極42及び第4外部電極43に対してそれぞれ電気接続されている。これにより、第3外部電極42及び第4外部電極43間に電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、第3外部電極42から参照抵抗47を経由して第4外部電極43に流れる。
具体的には、ブリッジ回路51は検出抵抗46に加え、参照抵抗47をさらに含んだ回路とされ、変位検出部5は検出抵抗46の抵抗値と参照抵抗47の抵抗値との差分に基づいてブリッジ回路51から第1出力信号V1を出力することで温度補償を行う。
図5に示すように検出回路50は、ブリッジ回路51と、ブリッジ回路51に対して所定の基準電圧Vccを印加する基準電圧発生回路52と、差動増幅回路53と、を備えている。ブリッジ回路51は、検出抵抗46及び参照抵抗47が直列接続された枝辺と、第1固定抵抗54及び第2固定抵抗55が直列接続された枝辺と、が基準電圧発生回路52に対して並列に接続されている。
次に、上述のように構成された圧力センサ1を利用して、圧力変化を検出する場合について説明する。
しかも、SOI基板である第1基板10のシリコン活性層14を利用して半導体プロセス技術によりカンチレバー4を形成できるので、薄型化(例えば数十〜数百nm)し易い。従って、微小な圧力変化の検出を精度良く行うことができる。
具体的には、図5に示すように、ブリッジ回路51が検出抵抗46及び参照抵抗47を含んだ回路とされ、該回路におけるノードN1が検出抵抗46の抵抗値、及び参照抵抗47の抵抗値の差分に応じた電圧とされている。そのため、ノードN1の変化分が、ノードN1とノードN2との間の電位差となって現れるので、差動増幅回路53から出力された第1出力信号V1に基づいて、温度環境の影響がキャンセルされた外気圧Poutの変化を精度良く検出することができる。
それに加え、図4に示すように、参照抵抗47はその一部が張出部28とされた枠部27に形成されているので、カンチレバー4と同様に、張出部28のうち参照抵抗47が形成されている面(上面)とは反対側の面(下面)をキャビティ2側に向けて露出させることができる。従って、検出抵抗46の温度環境と参照抵抗47の温度環境とをさらに類似した温度環境にすることができる。従って、温度補償をより高精度に行うことができる。
例えば、自動車用ナビゲーション装置に適用することが可能である。この場合、例えば圧力センサ1を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、高架道路と高架下道路とを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。
また、携帯用ナビゲーション装置に適用することも可能である。この場合、例えば圧力センサ1を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、ユーザが建物内の何階に位置しているのかを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。
さらには、室内の気圧変化を検出することが可能であるので、例えば建物や自動車の防犯装置に適用することも可能である。特に、1Hz以下の周波数帯域の圧力変動であっても感度良く検出することができるので、ドアや引き戸の開閉等に基づく圧力変動であっても検出することが可能であり、防犯装置等の適用に好適である。
次に、本発明に係る第2実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
これにより、枠部27に形成されたピエゾ抵抗層45の全体を参照抵抗47として利用することができると共に、参照抵抗47の位置を、カンチレバー4の主にレバー支持部26に形成された検出抵抗46に対して、より近接させることができる。
次に、本発明に係る第3実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第3実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第1実施形態では、ブリッジ回路51に検出抵抗46及び参照抵抗47を組み込んだ構成としたが、本実施形態では、検出抵抗46とは別のブリッジ回路に参照抵抗47を組み込み、参照抵抗47をいわゆる温度センサとして機能させている。
すなわち、ブリッジ回路51は、検出抵抗46及び第3固定抵抗73が直列接続された枝辺と、第1固定抵抗54及び第2固定抵抗55が直列接続された枝辺と、が基準電圧発生回路52に対して並列に接続されている。なお、第3固定抵抗73は、第1固定抵抗54及び第2固定抵抗55と同様に、センサ本体3の外部に備え付けられた外付け抵抗とされ、第1端がノードN1に接続され、第2端が電源線GNDに接続されている。
上述のように構成された本実施形態の圧力センサ70によれば、温度検出回路71を具備しているので、第2出力信号V2に基づいて、検出抵抗46の実際の温度を把握することができる。そのうえで、変位検出部5が、第2出力信号V2と温度特性記憶部78に予め記憶された温度特性情報とに基づいて、ブリッジ回路51から出力された第1出力信号V1を補正するので、任意の温度で圧力変化の検出を行ったかのように第1出力信号V1を補正することができる。
次に、本発明に係る第4実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第4実施形態においては、第1実施形態及び第3実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第5溝部83及び第6溝部84によって、シリコン活性層14のうちカンチレバー4及び枠部27を除いた部分に、枠部27に一体的に接続された第5ベース部85及び第6ベース部86がさらに形成されている。
第5溝部83及び第6溝部84は、第3ベース部38及び第4ベース部39の前方側に配置され、枠部27よりも左右方向L2の外側に位置する部分から、左右方向L2の外側に向けて直線状に延び、センサ本体3の左右方向L2側の側面に達している。これにより、シリコン活性層14のうち第2溝部31と第5溝部83との間に位置する部分が枠部27に一体に接続された第5ベース部85とされ、シリコン活性層14のうち第3溝部32と第6溝部84との間に位置する部分が枠部27に一体に接続された第6ベース部86とされている。
すなわち、図13に示すように、参照抵抗47は、第3外部電極42及び第5外部電極87側に位置する第1参照抵抗(第1抵抗)81と、第4外部電極43及び第6外部電極88側に位置する第2参照抵抗(第2抵抗)82と、に分かれている。
第2参照抵抗82は、第4外部電極43及び第6外部電極88に対してそれぞれ電気接続されている。これにより、第4外部電極43及び第6外部電極88間に電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、第4外部電極43から第2参照抵抗82を経由して第6外部電極88に流れる。
ブリッジ回路51は、検出抵抗46及び第1参照抵抗81が直列接続された枝辺と、第1固定抵抗54及び第2固定抵抗55が直列接続された枝辺と、が基準電圧発生回路52に対して並列に接続されている。
なお、第1参照抵抗81は、第1端がノードN1に接続され、第2端が電源線GNDに接続されている。
上述のように構成された本実施形態の圧力センサ80によれば、第1実施形態と同様に、ブリッジ回路51が検出抵抗46の抵抗値と第1参照抵抗81の抵抗値との差分に基づいて第1出力信号V1を出力するので、圧力変化の検出中に温度環境の変化があったとしても、その温度環境の変化分をキャンセルした状態で第1出力信号V1を出力することができる。
これらのことから、本実施形態の圧力センサ80によれば、非常に高精度な温度補償を行うことができる。
第1基板10は回路基板91上に接合されている。回路基板91には、該回路基板91を厚み方向に貫通すると共に、第1基板10の連通開口6に連通する貫通孔91aが形成されている。蓋部材92は、第1基板10を上方から覆うように、例えば回路基板91上に密に接合されている。これにより、蓋部材92の内部がキャビティ2として機能する。
このように構成された圧力センサ90の場合であっても、キャビティ2の内部と外部との圧力差に応じてカンチレバー4を撓み変形させることができるので、上述した各実施形態と同様の作用効果を奏効することができる。
この場合であっても、ピエゾ抵抗層45のうち枠部27に形成された部分を参照抵抗47として利用することができるので、各実施形態と同様に温度補償を行うことができる。
ただし、上述した各実施形態に示すように張出部28を有するように枠部27を形成した場合には、張出部28の下面をキャビティ2側に向けて露出させることができるので、参照抵抗47の温度環境を、下面側がキャビティ2側に向けて露出したカンチレバー4に形成された検出抵抗46の温度環境に対して、より類似した環境にすることができる。従って、より高精度な温度補償を行い易く、好ましい。
2…キャビティ
3…センサ本体
4…カンチレバー
5…変位検出部
6…連通開口
14…シリコン活性層(半導体層)
20…ギャップ
25…レバー本体
26…レバー支持部
27…枠部
28…張出部
46…検出抵抗(変位検出抵抗)
47…参照抵抗(温度検出抵抗)
51…ブリッジ回路(第1ホイートストンブリッジ回路)
71…温度検出回路
72…ブリッジ回路(第2ホイートストンブリッジ回路)
81…第1参照抵抗(第1抵抗)
82…第2参照抵抗(第2抵抗)
Claims (4)
- キャビティと、前記キャビティの内部と外部とを連通する連通開口とが形成されたセンサ本体と、
レバー本体と、前記レバー本体と前記センサ本体とを接続すると共に前記レバー本体を片持ち状態で支持するレバー支持部と、を有し、前記連通開口を覆うように配置され、且つ前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーとの間にギャップをあけた状態で前記カンチレバーの周囲を囲むように形成され、前記連通開口の開口周縁部に沿うように配置された枠部と、
前記カンチレバーの撓み変形に応じて抵抗値が変化する変位検出抵抗を含む第1ホイートストンブリッジ回路を有し、前記変位検出抵抗の抵抗値変化に対応した前記第1ホイートストンブリッジ回路からの第1出力信号に基づいて前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、を備え、
前記変位検出抵抗は、少なくとも前記レバー支持部に形成され、
前記枠部には、前記変位検出抵抗の温度係数に対して予め決まった比率で関係付けられた温度係数を有する温度検出抵抗が形成され、
前記変位検出部は、前記温度検出抵抗で検出された抵抗値に基づいて前記第1出力信号の温度補償を行い、
前記カンチレバー及び前記枠部は、同一の半導体層から形成され、
前記枠部の内周縁部は、前記開口周縁部よりも前記連通開口の内側に向けて張り出すと共に、前記カンチレバーの周囲を囲み、且つ前記連通開口の開口周縁部に沿うように配置された張出部とされ、
前記温度検出抵抗は、前記枠部のうち前記張出部に形成されている、圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサにおいて、
前記第1ホイートストンブリッジ回路は前記温度検出抵抗をさらに含んだ回路とされ、
前記変位検出部は、前記変位検出抵抗の抵抗値と、前記温度検出抵抗の抵抗値との差分に基づいて前記第1ホイートストンブリッジ回路から前記第1出力信号を出力する、圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサにおいて、
前記温度検出抵抗を含む第2ホイートストンブリッジ回路を有し、前記温度検出抵抗の抵抗値に対応した第2出力信号を出力する温度検出回路を備え、
前記変位検出部は、前記第2出力信号と、予め設定された前記変位検出抵抗の温度依存性に関する温度特性情報と、に基づいて前記第1出力信号を補正する、圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサにおいて、
前記温度検出抵抗は、互いに電気的に切り離された第1抵抗及び第2抵抗を有し、
前記第1ホイートストンブリッジ回路は、前記第1抵抗をさらに含んだ回路とされ、
前記第2抵抗を含む第2ホイートストンブリッジ回路を有し、前記第2抵抗の抵抗値に対応した第2出力信号を出力する温度検出回路を備え、
前記変位検出部は、前記変位検出抵抗の抵抗値と、前記第1抵抗の抵抗値との差分に基づいて前記第1ホイートストンブリッジ回路から前記第1出力信号を出力すると共に、前記第2出力信号と、予め設定された前記変位検出抵抗の温度依存性に関する温度特性情報と、に基づいて前記第1出力信号を補正する、圧力センサ。
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